沿河山區(qū)重載道路橋梁設(shè)計(jì)探討

鄒雨亭,張 鄒,牛晉濤

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

天峨縣云林大道舊路沿著紅水河?xùn)|岸布設(shè),原為1997年修建砂石縣道,2000—2001年改建為國(guó)道G243二級(jí)公路,路基寬為8.5 m。途經(jīng)區(qū)域?yàn)槌擎?zhèn)居民住宅地、學(xué)校等,是天峨縣峨里片區(qū)、工業(yè)集中區(qū)、城南新區(qū)的主要連接通道,同時(shí)承擔(dān)著境內(nèi)龍灘水電站機(jī)組大件設(shè)備運(yùn)輸?shù)墓δ?。隨著示范新城的逐步形成以及未來(lái)天巴高速公路、南天高速公路的建成通車(chē),云林大道作為天峨縣最重要的南北向交通通道之一,現(xiàn)有道路狀況已不能滿足人們的交通出行需求,亟須對(duì)現(xiàn)狀舊路進(jìn)行提質(zhì)改造。云林大道改擴(kuò)建工程路線全長(zhǎng)3.2 km,道路等級(jí)按城市主干路設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)時(shí)速為40 km/h。道路西側(cè)傍河,東側(cè)臨山及商鋪,受紅水河河道管理線及拆遷因素限制,該項(xiàng)目改擴(kuò)建空間狹小,線位只能沿著舊路展開(kāi),沿線避讓住宅、紅水河河道管理線及現(xiàn)有構(gòu)筑物,設(shè)計(jì)中必須綜合考慮地形、地質(zhì)情況,確定橋梁結(jié)構(gòu)體系,布置橋跨及橋跨布置,同時(shí)處理好與舊構(gòu)筑物的關(guān)系。

1 橋梁布孔及橋型方案

云林大道橋梁布孔項(xiàng)目充分考慮所在地依山傍水的特點(diǎn),以安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀和環(huán)境保護(hù)為原則,在確保安全的前提下,降低造價(jià)。結(jié)合地形地貌、材料來(lái)源、施工難易程度及運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)成本,該項(xiàng)目上部構(gòu)造采用施工快、整體造價(jià)低的裝配式先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。橋梁布孔時(shí),不追求大跨徑,應(yīng)注意跨高比的選擇,避免出現(xiàn)下部結(jié)構(gòu)過(guò)多造成結(jié)構(gòu)比例的失調(diào)及造價(jià)的增加;同時(shí)應(yīng)注意避讓現(xiàn)有構(gòu)筑物,避免沒(méi)有必要的改遷。云林大道為單向陡坡地形[1],靠近紅水河一側(cè)的橫向坡度較大,且為松散的堆填土,流水侵蝕嚴(yán)重,臨街一側(cè)為現(xiàn)狀舊路,若采用橋梁方案進(jìn)行加寬的話,勢(shì)必形成“半路半橋”,因此,利用老路路基,在其外側(cè)采用橋梁進(jìn)行加寬,同時(shí)在路橋結(jié)合部新建擋土墻以完成路與橋的銜接。該做法在目前山區(qū)道路的設(shè)計(jì)當(dāng)中也經(jīng)常被采用,所不同的是,該項(xiàng)目無(wú)中央分隔帶,只能將分隔縫設(shè)置于路線中心線處或行車(chē)道中心附近。

2 橋梁與路基方案比選

該項(xiàng)目橋高受龍灘水電站五十年一遇水位影響,但不控制設(shè)計(jì),橋面高程結(jié)合路線需要設(shè)計(jì),對(duì)于單向陡坡地形采用何種方式加寬路基是本項(xiàng)目的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。目前,國(guó)內(nèi)道路加寬的主要方式概括起來(lái)主要包括以下幾種方式[2-3]:(1)常規(guī)挖填方式拓寬;(2)支擋結(jié)構(gòu)方式拓寬;(3)半路半橋方式拓寬;(4)懸挑結(jié)構(gòu)拓寬。

為此,綜合地形、地質(zhì)、施工難易程度及安全性等因素,對(duì)半路半橋方案與路基支擋結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.1 方案一:路基支擋結(jié)構(gòu)方案

樁板式擋土墻是由錨固樁發(fā)展而來(lái)的,其錨固段必須設(shè)置在穩(wěn)定的地層中。受力機(jī)理是利用樁基深度范圍內(nèi)的被動(dòng)土壓力平衡滑坡形態(tài)時(shí)的滑坡下滑力(邊坡預(yù)加固時(shí),為樁后主動(dòng)土壓力),保證路基的穩(wěn)定。

在樁板式擋土墻方案中,為方便施工,樁截面選用圓形截面,樁徑為2 m,樁間距為5 m,樁間設(shè)置鋼筋混凝土預(yù)制擋土板,樁身及擋土板均采用C30混凝土。其典型斷面如圖1所示。

圖1 樁板式擋土墻方案斷面圖(cm)

2.2 方案二:半路半橋方案

對(duì)于陡坡路段的路基加寬,采用半路半橋路基拼寬方式也是一種較為常見(jiàn)的處理手段。其在施工橋梁時(shí)基本不影響老路交通,對(duì)老路邊坡的擾動(dòng)很小。需要特別注意的是,新建橋梁與老路路基之間的縱縫位置及處理是本項(xiàng)目需要關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題。

半路板橋方案中,上部結(jié)構(gòu)采用20 m跨裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁,下部結(jié)構(gòu)采用柱式臺(tái)、肋板臺(tái)及U臺(tái),采用獨(dú)柱墩還是雙柱墩視加寬寬度而定,在路基與橋梁銜接處設(shè)置衡重式擋土墻,為避免車(chē)輪的反復(fù)碾壓,分隔縫設(shè)置于路線中心線處或行車(chē)道中心附近。其典型斷面如圖2所示。

圖2 半路半橋方案斷面圖(cm)

2.3 經(jīng)濟(jì)效益比較

以K0+200～K0+580段為例,現(xiàn)狀道路在該段落右幅設(shè)置有人行框架結(jié)構(gòu),路線左幅為商鋪,右幅為紅水河,采用方案一的概算為976萬(wàn)元;而方案二的概算為864萬(wàn)元,故方案二半路半橋方案優(yōu)勢(shì)更大。

3 上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為保證行車(chē)舒適性,橋梁上部結(jié)構(gòu)體系一般均采用連續(xù)體系,結(jié)合地形地貌、材料來(lái)源、施工難易程度及運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)成本,該項(xiàng)目上部構(gòu)造采用施工快、整體造價(jià)低的裝配式先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁進(jìn)行設(shè)計(jì)[4-5]?？紤]到云林大道路線圓曲線最小半徑為350 m,為將內(nèi)、外邊梁梁長(zhǎng)差控制在<1 m,橋梁跨徑選用20 m跨,一聯(lián)長(zhǎng)度控制在<100 m,以控制車(chē)輛單向行駛在主梁梁端產(chǎn)生的累積位移。因該項(xiàng)目承擔(dān)著境內(nèi)龍灘水電站機(jī)組大件設(shè)備運(yùn)輸?shù)墓δ?舊路橋梁汽車(chē)荷載采用龍灘水電站提供的汽-40汽車(chē)車(chē)隊(duì),并以平板掛車(chē)-400進(jìn)行驗(yàn)算。本次設(shè)計(jì)驗(yàn)算采用《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(2019年版)》(CJJ11-2011)[6]附錄A“特種平板掛車(chē)-420”,其縱、橫向布置如圖3所示。

圖3 特種平板掛車(chē)-420縱向排列及橫向布置示意圖(m)

為此,采用Midas 軟件建立4×20 m跨全橋模型,在主梁結(jié)構(gòu)的定位點(diǎn)、支撐點(diǎn)、截面構(gòu)造尺寸變化處以及控制截面處設(shè)置節(jié)點(diǎn),并建立施工階段模擬橋梁架設(shè)及橋面系施工過(guò)程。主梁采用梁?jiǎn)卧M,支座采用一般支撐,橋梁離散后共計(jì)94個(gè)單元,95個(gè)節(jié)點(diǎn),永久作用僅計(jì)箱梁自重、橋面系恒載及混凝土收縮、徐變,可變作用僅考慮汽車(chē)荷載,不考慮溫度作用,采用程序內(nèi)自定義的車(chē)輛荷載模擬掛車(chē)-420縱向排列。施工階段劃分如表1所示,模型如圖4所示。

表1 施工階段劃分表

圖4 計(jì)算模型圖

需要說(shuō)明的是,本次計(jì)算僅取單片邊梁為研究對(duì)象,中梁計(jì)算類似。因此,建模前需先計(jì)算橋梁橫向分布系數(shù),然后手動(dòng)輸入到Midas軟件程序中。橫向分布系數(shù)首先采用剛接板梁法得到梁片處的影響線,然后再在影響線上按下頁(yè)圖5最不利布載方式加載,從而得到橫向分布系數(shù)。計(jì)算過(guò)程采用橋梁博士V4軟件進(jìn)行,橫向分布系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 橫向分布系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

圖5 掛車(chē)-420橫向布置圖(cm)

3.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(2019年版)》(CJJ11-2011)附錄A中第A.0.3條,“基本組合中結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)應(yīng)為γ0=1”及“當(dāng)采用特種荷載驗(yàn)算時(shí),不計(jì)沖擊、不同時(shí)計(jì)入人群和非機(jī)動(dòng)車(chē)荷載”,對(duì)荷載組合中的系數(shù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整以后,得到截面抗彎及抗剪能力驗(yàn)算結(jié)果如圖6、圖7所示。計(jì)算結(jié)果表明:作用組合效應(yīng)值均小于結(jié)構(gòu)抗力,滿足規(guī)范要求。

圖6 正截面抗彎承載能力驗(yàn)算結(jié)果曲線圖

圖7 斜截面抗剪承載能力驗(yàn)算結(jié)果曲線圖

3.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(2019年版)》(CJJ11-2011)附錄A中第A.0.3條,如圖8所示,結(jié)構(gòu)斜截面主拉應(yīng)力σtp=2.1 MPa≤上限值0.9ftk=2.385 MPa,滿足規(guī)范要求。

圖8 結(jié)構(gòu)斜截面主拉應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果曲線圖

根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(2019年版)》(CJJ11-2011)附錄A中第A.0.3條,如圖9所示,結(jié)構(gòu)斜截面主壓應(yīng)力σcp=15.33 MPa≤上限值0.65fck=21.06 MPa,滿足規(guī)范要求。

圖9 結(jié)構(gòu)斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果曲線圖

根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范(2019年版)》(CJJ11-2011)附錄A中第A.0.3條,如圖10所示,結(jié)構(gòu)正截面最大壓應(yīng)力σpt+σkc=15.35 MPa≤上限值0.6fck=19.44 MPa,滿足規(guī)范要求。

圖10 結(jié)構(gòu)正截面法向壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果曲線圖

綜上所述,該項(xiàng)目所采用的上部構(gòu)造可承載掛車(chē)-420的行駛。需要注意的是,本計(jì)算汽車(chē)荷載為偏載,得到的計(jì)算結(jié)果偏保守,實(shí)際運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)該要求車(chē)輛居中行駛,對(duì)結(jié)構(gòu)更有利。

4 下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

云林大道地面縱向起伏較小,主要是橫坡較陡,橋臺(tái)盡可能伸入挖方,以防止橋臺(tái)溜坡困難[7],必要時(shí)可采取加大跨徑的措施,雖然在經(jīng)濟(jì)上有所浪費(fèi),但是提升了安全性。本項(xiàng)目橋臺(tái)設(shè)計(jì)采用了U型橋臺(tái)、樁柱臺(tái)、肋板式橋臺(tái)等,樁基礎(chǔ)或擴(kuò)大基礎(chǔ)。對(duì)于U臺(tái)接樁基的橋臺(tái)形式,可適當(dāng)將承臺(tái)抬高,既可以降低橋臺(tái)的高度,降低側(cè)墻開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn),也可以減少對(duì)原地面的開(kāi)挖,盡量少擾動(dòng)原狀土,確保地基的穩(wěn)定,特別是在山區(qū),應(yīng)該引起足夠的重視。文獻(xiàn)[8]指出,U臺(tái)適應(yīng)填土高度為4～10 m,對(duì)于U臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)的橋臺(tái)形式,將基礎(chǔ)劃分為若干段臺(tái)階型以順應(yīng)地形的變化,減少開(kāi)挖和圬工量。另外,當(dāng)縱、橫向地形較陡,放坡困難時(shí),采用U型橋臺(tái)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以與臺(tái)后擋墻自然銜接。對(duì)于肋板式橋臺(tái),肋板臺(tái)身高度控制在<6 m,臺(tái)后填土控制在<12 m,承臺(tái)置于壓實(shí)填土之上。對(duì)于樁柱臺(tái),由于抗推剛度小,臺(tái)后填土高度控制在<6 m。該項(xiàng)目橋墩因墩高較矮(H<25 m),設(shè)計(jì)采用了構(gòu)件簡(jiǎn)單的圓柱式墩,位于陡坡上的橋墩,將墩柱與樁基合二為一,便于施工。

位于陡坡路段的樁基,需要特別注意,文獻(xiàn)[1]指出應(yīng)該考慮陡坡坡率及潛在滑動(dòng)體對(duì)樁身豎向承載力的影響。同時(shí),相關(guān)研究[9]指出,樁身距坡面水平距離小于2倍樁徑時(shí),不應(yīng)考慮摩阻力;距離小于4.5倍樁徑時(shí),應(yīng)折減摩阻力。該項(xiàng)目樁基既有塹巖樁又有摩擦樁,根據(jù)地勘報(bào)告,沿線地層為第四系人工堆積層(Q4ml)素填土、沖洪積層(Q4al+pl)粉質(zhì)黏土、殘積層(Q4el)粉質(zhì)黏土,下伏基巖為三疊系中統(tǒng)(T2)泥質(zhì)粉砂巖。中風(fēng)化完整基巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度f(wàn)rk達(dá)到了20 MPa,采用塹巖樁設(shè)計(jì)時(shí)考慮摩阻力對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小,而對(duì)于摩擦樁樁長(zhǎng)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮潛在滑動(dòng)面以上土體的影響。

5 路橋結(jié)合部的設(shè)計(jì)

對(duì)于半路半橋處路基與橋梁搭接處分隔縫的處理,國(guó)內(nèi)橋梁經(jīng)常是將縱縫置于中央分隔帶或側(cè)分帶中來(lái)處理[10],但本項(xiàng)目并未設(shè)置類似分隔設(shè)施。文獻(xiàn)[7]提出了一種在國(guó)外應(yīng)用較廣的Britflex系列縱向伸縮縫構(gòu)造,但造價(jià)太高,在國(guó)內(nèi)未推廣。基于此,本文提出以下處理思路,供今后類似項(xiàng)目參考:

(1)路基與橋梁之間設(shè)置衡重式擋土墻,并留2 cm的結(jié)構(gòu)縫。

(2)橋面10 cm厚C50混凝土調(diào)平層延伸至道路設(shè)計(jì)中心線,跨越路基與擋墻之間的結(jié)構(gòu)縫,在分縫處增設(shè)附加鋼筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),同時(shí)在瀝青上、中面層分別設(shè)置一道玻纖格柵。

(3)右半幅路面結(jié)構(gòu)層采用剛性路面,即在10 cm厚C50混凝土調(diào)平層下設(shè)40 cm厚C35鋼筋混凝土板,一側(cè)擱置于擋墻頂,以消除路基沉降造成的瀝青路面反射裂縫。

(4)左半幅路面結(jié)構(gòu)層同正常路段,同時(shí)在道路中心線處瀝青上、中面層再分別設(shè)置一道玻纖格柵。

路基與橋梁縱縫處理如圖11所示。

圖11 路基與橋梁縱縫處理典型橫斷面圖(cm)

經(jīng)計(jì)算,主梁在城-A級(jí)車(chē)道荷載作用下,最大的豎向撓曲變形僅為7 mm,如圖12所示。而老路已運(yùn)行20余年,其沉降已趨于穩(wěn)定,因此,路基與橋梁之間7 mm的相對(duì)變形可忽略不計(jì)。在分縫處通過(guò)構(gòu)造措施,如在調(diào)平層內(nèi)增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋、增設(shè)玻纖格柵以避免路面出現(xiàn)反射裂縫。施工時(shí),應(yīng)先施工擋墻,為避免放坡開(kāi)挖,減少對(duì)老路路基的擾動(dòng),考慮在老路外邊緣插打鋼板樁進(jìn)行臨時(shí)防護(hù),然后再采用旋挖鉆施工樁基。設(shè)計(jì)時(shí)注意考慮擋墻與樁基之間的安全距離,必要時(shí)適當(dāng)調(diào)整樁基的位置,最后再施工蓋梁、上部結(jié)構(gòu)及橋面系,通過(guò)合理的施工順序確保項(xiàng)目的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖12 城-A級(jí)車(chē)道荷載作用下主梁豎向位移云圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文探討了山區(qū)道路路基加寬方式,介紹了橋梁上、下部構(gòu)造設(shè)計(jì)需要注意的問(wèn)題,提出了重載作用下橋梁上部構(gòu)造驗(yàn)算的內(nèi)容和方法,并提出了一種新的路基與橋梁縱縫的處理思路,為今后類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。